耦合微藻培养和微生物燃料电池的集成系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及集成系统，具体涉及一种耦合微藻培养和微生物燃料电池的集成系统 及方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国经济的飞速发展，城市人口剧增，不仅使能源需求量大大增加，有毒有害 废物的排放也对生态环境造成极大威胁。据环保部2013年环境状况公报，2013年全国能 源消费总量为37. 5亿吨标准煤，其中，煤炭消费占能源消费总量的比重为66. 0%，石油消 费量占19.4%。化石燃料使用造成了有害烟气的大量排放，2013年，废气中的主要污染物 〇) 2402及氮氧化物排放总量为5000万吨以上。废水总排放量6954. 4亿吨，其中主要污染 物化学需氧量排放总量为2352. 7万吨，总氮排放量为448. 1万吨，总磷排放量48. 73万吨。 如此巨大的污染物排放，不仅是对环境的污染也是对资源的极大浪费。为解决能源危机和 环境日益恶化的双重问题，一方面要加强对烟气污染物、污水富营养化物质等有毒有害废 物的无害化、洁净化处理；同时需开发清洁友好的可再生能源如微生物能源。
[0003] 微藻的光合效率高于常规作物且生产成本低、营养物质丰富、经济效益高、用途广 泛，可用于能源、医药、食品、环境等领域，因此被公认为最有潜力的微生物能源。而作为新 型能源工艺的微生物燃料电池，可在处理废水中有机物的同时产生电能，具有良好的发展 潜力与市场前景。
[0004] 微藻生长需要大量的碳源及氮、磷、硫等营养物质，可对烟气中的co2及废水中的 氮、磷等无机物进行移除。而微生物燃料电池中的细菌可将废水中无法被微藻利用的有机 物质进行脱除。若能将两者进行结合，不仅可实现废水中无机物和有机物的同时去除，还可 达到二氧化碳固定和能源产出（微藻生物质能及电能）的目的。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种耦合微藻培养及微生物燃料电池的集成系统及方法， 该集成系统及方法可同时实现二氧化碳固定、污水处理、微藻生物质的产出及电能的产出 等多重目的。
[0006] 为达到上述目的，本发明的第一个技术方案是：
[0007] -种耦合微藻培养和微生物燃料电池的集成系统，包括上盖板、下盖板、外圆桶、 内圆桶、进液口、出气口、废水出口和废水进口；所述上盖板设置在外圆桶的顶部，所述下盖 板设置在外圆桶的底部；
[0008] 其特点是于：内圆桶设置在外圆桶内；所述外圆桶的内壁与内圆桶的外壁之间的 空间作为微藻培养腔室，在微藻培养腔室中设置有微藻培养基；同时所述微藻培养腔室还 作为微生物燃料电池的阴极；
[0009] 所述内圆桶的壁面镂空设置，镂空壁面上交替设置阴离子交换膜和阳离子交换 膜，所述内圆桶的壁面外侧设置电池阴极；所述内圆桶内设置电池阳极；
[0010] 进液口和出气口设置在上盖板上，位于微藻培养腔室的上部；所述进气口设置在 下盖板上，位于微藻培养腔室的下部；该进液口、出气口和进气口均与微藻培养腔室相通； 废水出口和废水进口分别设置在上盖板和下盖板上，与内圆桶的内腔相通。
[0011] 根据本发明所述的耦合微藻培养和微生物燃料电池的集成系统的优选方案，该集 成系统还包括气体源、烟气流通管路和曝气管；气体源中的气体通过烟气流通管路和曝气 管曝入微藻培养腔室中。
[0012] 根据本发明所述的耦合微藻培养和微生物燃料电池的集成系统的优选方案，该集 成系统还包括蠕动栗，废水通过蠕动栗以及废水进口注入内圆桶内。
[0013] 根据本发明所述的耦合微藻培养和微生物燃料电池的集成系统的优选方案，所述 上盖板、下盖板、外圆桶和内圆桶均由透光材料制成。
[0014] 本发明的第二个技术方案是：利用耦合微藻培养与微生物燃料电池的集成系统进 行固碳与产能的方法，其特点是：包括如下步骤：
[0015] 第一步：将微藻培养基和废水在高压灭菌锅内进行高压蒸汽灭第一步：菌30~ 60min，并将集成系统在紫外线照射下灭菌24~48h;
[0016] 第二步：待微藻培养基和废水温度达到常温后，将微藻菌种和细菌菌种分别接种 到微藻培养基和废水内；
[0017] 第三步：将已接种微藻菌种的微藻培养基通过进液口注入微藻培养腔室，培养 168~288h;将已接种细菌菌种的废水存储到废液储存器内，培养72~120h;
[0018] 第四步：将含有0)2的烟气通过曝气管鼓入微藻培养腔；所述含有C0 2的烟气从不 锈钢曝气管被鼓入微藻培养腔室后形成上升气泡流，气泡流在上升的过程中，上升气泡流 中的二氧化碳会以无机碳的形式溶解在微藻悬浮液中供微藻生长需要，处理后的烟气再从 出气口中排出；
[0019] 第五步：将废液储存器内的废水通过蠕动栗以及废水进口注入内圆桶内，内圆桶 内废水中的阴离子和阳离子分别通过阴离子交换膜和阳离子交换膜渗透到微藻培养腔室 中，供微藻生长利用；同时，废水中的产电菌利用废水中的有机废物进行生长代谢的同时产 生电子，该电子沿外电路经过负载到达电池阴极，质子透过阳离子交换膜进入微藻培养腔 室，即阴极腔室，并与微藻产生的氧气反应生成水，在降解有机物的同时产生电能；处理后 的废水通过废水出口流出到废液储存器；
[0020] 第六步：当废水处理完成后，更换废液储存器内的废水。
[0021] 本发明将所述外圆桶与内圆桶之间的空间作为微藻培养腔室，接种在培养基中的 微藻在此腔室内进行培养，同时所述微藻培养腔室还作为微生物燃料电池的阴极；
[0022] 进液口用于微藻培养液的加入，出气口作为运行过程中微藻培养腔室的烟气排 出；进气口用于含有〇) 2的烟气的鼓入。
[0023] 所述内圆桶进行壁面镂空处理，镂空壁面上交替粘贴阴离子交换膜和阳离子交换 膜，即相邻的离子交换膜为不同极性的离子交换膜；
[0024] 本发明所述的耦合微藻培养和微生物燃料电池的集成系统及方法的有益效果是： 将微藻培养和微生物燃料电池有机结合在一起，使得在净化废水和C(V咸排的同时又能额 外获得电能和微藻产品，其中，微藻培养系统用于固碳并去除废水中氮磷等物质，微生物燃 料电池用于降解有机物和发电，变废为宝，达到除废和产能同步进行；该系统可同时实现二 氧化碳固定、污水中有机物与无机物同步去除、微藻生物质的产出与电能的产出等多重功 效，可广泛应用于化工、生物、环保等领域。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明所述的耦合微藻培养与微生物燃料电池的集成系统示意图。
[0026] 图2是图1的俯视图。
[0027] 图3a、3b、3c是内圆桶4的壁面镂空设置示意图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行进一步详细的描述。
[0029] 参见图1和图2,一种耦合微藻培养和微生物燃料电池的固碳与产能集成系统，包 括上盖板1、下盖板2、外圆桶3、内圆桶4、进液口 6、出气口 25、废水出口 23和废水进口 24 ; 外圆桶3和内圆桶4内部有通孔；所述上盖板1设置在外圆桶3的顶部，所述下盖板2设置 在外圆桶3的底部；
[0030] 内圆桶4设置在外圆桶3内；所述外圆桶3的内壁与内圆桶4的外壁之间的空间 作为微藻培养腔室5,在微藻培养腔室5中设置有微藻培养基；同时所述微藻培养腔室5还 作为微生物燃料电池的阴极；
[0031] 所述内圆桶4的壁面镂空设置，镂空壁面上交替设置阴离子交换膜9和阳离子交 换膜10,所述内圆桶4的壁面外侧设置有电池阴极14 ;所述内圆桶4内设置有电池阳极 11 ;
[0032] 进液口 6和出气口 25设置在上盖板1上，位于微藻培养腔室5的上部；所述进气 口 7设置在下盖板2上，位于微藻培养腔室5的下部，该进液口 6、出气口 25和进气口 7均 与微藻培养腔室5相通；废水出口 23和废水进口 24分别设置在上盖板1和下盖板2上，与 内圆桶4的内腔相通。
[0033] 其中，上盖板1、下盖板2、外圆桶3和内圆桶4构成微藻培养子系统，它们均采用 有机玻璃或其他具有优异透光性能的透光材料加工而成。该子系统中外圆桶3和内圆桶4 设置有通孔，并通过螺栓和硅胶垫片与上盖板1和下盖板2密封配合，加硅胶垫片的目的是 为了防止微藻培养腔室5中的藻液和内圆桶4中带有产电菌的废水的泄露。
[0034] 曝气管18从进气口 7插入微藻培养腔室5中，0)2烟气通过曝气管18曝入到微藻 培养腔室5中，形成上升气泡流19 ;曝气管18可以采用不锈钢曝气管。
[0035] 外圆桶3侧壁上设有取样口 8,可以定期从微藻培养腔室5中取样进行微藻生物质 浓度、色素含量、油脂含量及其他大分子物质的测量。
[0036] 参见图3a、3b、3c ;内圆桶4进行壁面镂空处理，镂空图案可以是矩形镂空26、三角 形镂空27、圆形镂空28等；镂空壁面上交替粘贴阴离子交换膜9和阳离子交换膜10,所述 阴离子交换膜9和阳离子交换膜10交替粘贴，即相邻的离子交换膜具有不同的极性，从而 使阴离子和阳离子更有效的渗透进入微藻培养腔室5,内圆桶废水中所含的氮磷等阴离子 以及钠镁铁等阳离子分别通过阴离子交换膜9和阳离子交换膜10渗透到微藻培养腔室5 中，供微藻生长利用。微藻培养腔室5中的微藻可以采用批次培养的模式。
[0037] 所述电池阳极11采用电刷阳极，可根据输出功率的大小采用多根电刷阳极并联 设置，以增大电功率密度；所述电池阴极14采用碳布或活性炭堆积阴极；
[0038] 所述电池阳极11、外电路负载12、导线13和电池阴极14构成微生物燃料电池子 系统。阳极产生的电子经过外电路负载12通过导线13到达电池阴极14。为减小电损失， 导线13采用电阻较小的钛丝材料；电池阴极14采用碳布或活性炭堆积阴极，该碳布或活性 炭堆积阴极紧挨所述阴离子交换膜9和阳离子交换膜10外侧布置，以减小碳布或活性炭堆 积阴极的遮光效应对微藻生长产生的影响。
[0039] 该集成系统还包括气体源15、烟气流通管路17和曝气管18 ;气体源15中的气体 通过烟气流通管路17和曝气管18曝入微藻培养腔室5中，形成上升气泡流19,最终从出气 口 25中排出。为提高烟气中的C02在微藻悬浮液中的溶解速度，尽量选用内径较小的曝气 管以减小气泡的脱离直径，从而增强C02的比表面积以增大溶解速率。气体源15、气体压力 计16、烟气流通管路17和曝气管18构成气体供给子系统。
[0040] 该集成系统还包括蠕动栗21，废水通过蠕动栗21以及废水进口 25注入内圆桶4 内。废液储存器20、蠕动栗21和通液管路22构